Bruch der Königswelle einer 6300-t-Presse

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Bruch der Königswelle einer 6300-t-Presse – FE-Berechnung mit PTC Creo Simulate

Mit Hilfe der PTC Software Creo Simulate 3.0 wurde der Bruch einer Hauptwelle in einer 6300-Tonnen-Umformpresse, die auch Königswelle genannt wird, untersucht. Das Bauteilversagen hatte den Ausfall der Presse, mit 6300 Tonnen Nennpresskraft, zur Folge. Da dieser Vorfall in einem sächsischen Unternehmen bereits einige Jahre zurücklag, wurde eine rekursive Schadensanalyse durchgeführt.

Bei einer Königswelle handelt es sich um ein zentrales Element im Antriebsstrang einer Presse, welches die benötigten Umformkräfte auf den Stößel der Presse überträgt. Die während des Umformprozesses auf diese Welle wirkenden Kräfte und Momente wurden mit Creo Simulate 3.0 in der entsprechenden Schadensanalyse simuliert.

Der aufgetretene Dauerbruch der Königswelle wurde auf Herkunft und Wachstum eines Initialrisses hin untersucht und rekonstruiert. An dieser Untersuchung waren federführend Prof. Dr.-Ing. Uwe Mahn sowie Prof. Dr.-Ing. Peter Hübner, Professoren der Hochschule Mittweida und Jan Arndt, Senior Projektleiter für Digitale Produktentwicklung, NET AG system integration beteiligt. Die dokumentierten Ergebnisse wurden von den Verfassern auf dem SAXSIM 2017 in Chemnitz präsentiert.

Was ist das SAXSIM?

Das SAXSIM (Saxon Simulation Meeting) ist ein jährliche, von der Technischen Universität Chemnitz organisierte Fachtagung. Die seit 2009 stattfindende Veranstaltung hat das Ziel, Studierenden, Lehrenden und Praxisanwendern der Bereiche CAD, CAE, Simulation und Berechnung eine Plattform für Erfahrungsaustausch und Weiterbildung zu bieten.

Als einer der Hauptsponsoren, Veranstalter des Mathcad-Workshops und Jury-Mitglied des gleichzeitig stattfindenden Studentenwettbewerbs, ermöglicht es die NET AG, dass das SAXSIM ein für alle Teilnehmer kostenloses Event ist. Auf der Homepage des SAXSIM können Sie sich über die Veranstaltung informieren und sämtliche Vorträge der vergangenen Jahre nachlesen.

Worin bestand das Problem bei einem Bruch der Königswelle?

Bereits vor dem Versagen der Königswelle konnte festgestellt werden, dass das zu schmiedende Material nicht mehr maßhaltig umgeformt wurde. Die Presse wurde scheinbar „weich“. Nach Ausschluss aller üblichen Ursachen musste festgestellt werden, dass die Gesamtsteifigkeit der Presse abgenommen hatte. Zunehmend kam es zu weiteren Störungen im Produktionsprozess, bis die Presse endgültig ausfiel, weil sie permanent im Störungsmodus verblieb. Die Winkelposition der Schwungscheibe und die Position des Stößels stimmten nicht mehr zueinander überein.

Herausforderung & Herangehensweise

Die Herausforderung der Simulation bestand darin, die Ursache des Bruches der Königswelle aufgrund einer sehr geringen Datenlage im Nachhinein zu ermitteln. Zunächst wurde eine strukturmechanische Berechnung anhand eines neu erstellten CAD-Modells durchgeführt. Im nächsten Schritt wurde eine Vergleichsspannungsanalyse durchgeführt. Diese Berechnung wurde mit der PTC Software Creo Simulate ausgeführt.

Creo benötigte für die Berechnungen anhand der p-Elemente-Methode mit 1.635 Elementen nur 328 Sekunden und nutzte einen RAM-Speicher von 990 MB.

Hierbei konnte ebenfalls, in Redundanz zur Presskraftüberwachung, nachgewiesen werden, dass eine mechanische Überlastung der Welle als Ursache für den Bruch ausgeschlossen werden konnte. Die charakteristische Bruchfläche ließ außerdem ebenfalls auf einen Dauerbruch schließen. Es wurde klar, dass ein Anriss zunächst 210 mm unter der Oberfläche mit einer Größe von etwa 20 mm als Vorschädigung vorhanden gewesen sein musste. Von dort aus hat sich dieser Riss weiter ausgebreitet. Ab diesem Zeitpunkt waren nur noch wenige Rest-Zyklen notwendig bis der Riss die Oberfläche erreicht hatte. Die weitergehenden Riss-Simulationen wurde mit dem Simulationstool „Ansys“ auf der Grundlage der Ergebnisse der Creo Simulate 3.0 Berechnung durchgeführt.

Ergebnisse

Die Berechnungen ergaben, dass solch ein Startanriss mit etwa 20 mm Durchmesser nach ein bis zwei Millionen Lastzyklen zum Versagen der Welle führen konnte. Aus der Tatsache, dass die Presse bereits 20 Jahre in Betrieb war und man für diesen Zeitraum von etwa 3,6 Millionen Lastspielen ausgehen konnte, ließ sich sicher ableiten, dass der Startriss bereits durch die Fertigung eingebracht wurde. Die vollständigen Details können Sie der Publikation von Prof. Dr.-Ing. Uwe Mahn, Prof. Dr.-Ing. Peter Hübner und Jan Arndt entnehmen.

Die Rolle von Creo Simulate

Mit Creo Simulate 3.0 können Sie strukturmechanische Analysen sowie Wärme- und Modalanalysen durchführen. Weiterhin stellt diese Softwarelösung Konstruktionsingenieuren und Designern die notwendigen Tools zur Verfügung, um ihre Entwürfe schon früh im Entwicklungsprozess zu analysieren und anhand der Simulationsergebnisse ihre Konstruktionsentscheidungen besser treffen zu können. Als NET AG bieten wir spezielle Trainings für PTC Creo Simulate an, in denen Sie das Ausführen von Strukturanalysen und Optimierungen von CAD-Modellen erlernen.

Quelle: http://www.qucosa.de/recherche/frontdoor/?tx_slubopus4frontend%5bid%5d=22608

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